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[導讀]摘要:隨著通用計算機性能的不斷提高,虛擬無線電技術得以發(fā)展。根據(jù)虛擬無線電處理基帶信號具有更好的靈活性、通用性和開放性的優(yōu)點以及ISO/IEC 18000-6C標準中超高頻RFID讀寫器的特桂,在此提出了一種基于虛擬無線

摘要:隨著通用計算機性能的不斷提高,虛擬無線電技術得以發(fā)展。根據(jù)虛擬無線電處理基帶信號具有更好的靈活性、通用性和開放性的優(yōu)點以及ISO/IEC 18000-6C標準中超高頻RFID讀寫器的特桂,在此提出了一種基于虛擬無線電的超高頻RFID讀寫器的實現(xiàn)方案。該方案介紹了常見RFID系統(tǒng)的結構和工作原理,重點闡述了基于虛擬無線電的RFID讀寫器的整體結構和工作流程,并對接收端算法做了研究與實現(xiàn)。
關鍵詞:虛擬無線電;超高頻;射頻識別;讀寫器;電子標簽

0 引言
    近年來,隨著多核CPU的出現(xiàn)與應用,個人計算機在計算能力和性能上大幅度提高,在某種程度上可以與傳統(tǒng)的專用數(shù)字信號處理器媲美,因此在一臺計算機上設計通用的軟件無線電平臺已成為一種可能。研究基于多核PC的軟件無線電平臺,能夠在在一臺計算機上實現(xiàn)多種通信協(xié)議,而且易于開發(fā)和軟件升級,無論從開發(fā)者角度講,還是從用戶角度講,都極大地方便了各自的工作和體驗,具有重要的研究價值和商業(yè)應用價值。虛擬無線電是一種真正意義上的軟件無線電。它采用高性能的模/數(shù)和數(shù)/模轉換器,對寬帶射頻信號直接進行變換,所有無線電功能用運行于工作站或個人計算機上的應用程序來實現(xiàn)。虛擬無線電技術主要有如下特點:易于實驗;開發(fā)快捷;與其他應用結合;改進功能實現(xiàn)。無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)是一種非接觸的射頻識別技術,其基本原理是通過射頻信號與空間耦合傳輸特性,實現(xiàn)對被識別物體的自動識別?,F(xiàn)有的RFID讀寫器一般采用ASIC,DSP,F(xiàn)PGA或ARM對基帶信號進行處理,此方法處理基帶信號方法不靈活,且需要設計人員掌握每種嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法,因此技術門檻比較高,開發(fā)周期較長。隨著通用計算機性能的不斷提高,使得基于通用處理器實現(xiàn)通信系統(tǒng)成為可能,根據(jù)虛擬無線電的上述特點,本文提出了基于虛擬無線電實現(xiàn)RFID讀寫器的方案。

1 RFID系統(tǒng)結構與工作原理
    
常見的RFID系統(tǒng)包括4部分:標簽、天線、讀寫器和控制器(即PC主機)組成。如圖1所示。


     RFID系統(tǒng)的工作原理為讀寫器通過天線發(fā)出含有信息的一定頻率的射頻信號,當標簽進入讀寫器的識別區(qū)域內,標簽周圍形成電磁場,其天線通過耦合產生感應電流,從而獲得能量漱活內部微芯片電路。此時標簽根據(jù)讀寫器發(fā)出的信息決定是否響應,即是否反向散射數(shù)據(jù);需要響應時,標簽通過天線將存儲在標簽中的信息轉換成電磁波,然后發(fā)送給讀寫器;讀寫器接收到標簽反射的信號時,將信號進行解調和解碼,識別出標簽反向散射的數(shù)據(jù),然后通過標準的網(wǎng)絡接口傳送給控制器;控制器根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設定對這些數(shù)據(jù)進行管理和控制。
    按照讀寫器發(fā)射頻率的不同,RFID系統(tǒng)可以分為低頻(135 kHz以下),高頻(13.56 MHz),超高頻(860~960 MHz)和微波(2.4 GHz以上)等幾大類。其中,超高頻RFID系統(tǒng)一般采用電磁反向散射原理來實現(xiàn)讀寫器和電子標簽之間的通信過程。
    本文介紹的基于虛擬無線電實現(xiàn)的RFID讀寫器符合ISO/IEC 18000-6C標準。ISO/IEC 18000-6C標準是信息技術領域關于超高頻RFID技術的空中通信技術標準。該標準采用開放的體系結構,充分考慮了標簽低處理能力、低功耗和低成本要求,在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼及調制方式、防沖突算法、標簽訪問控制和隱私保護等技術方面采取了一系列改進;其中,讀寫器到標簽的前向鏈路的調制方式為ASK,采用PIE編碼,標簽到讀寫器的反向鏈路的調制方式為ASK或PSK,采用FM0編碼或者Miller編碼,并對傳輸數(shù)據(jù)采用差錯控制編碼技術(CRC16校驗)。本文介紹的讀寫器到標簽的前向鏈路采用ASK調制方式和PIE編碼,標簽到讀寫器的反向鏈路采用ASK調制方式和FM0編碼。

2 基于虛擬無線電實現(xiàn)讀寫器的方法
2.1 讀寫器的結構
    
該讀寫器的結構如圖2所示,主要由4部分組成:主控部分、FPGA邏輯控翻模塊、射頻前端模塊及天線。主控部分:主控部分選擇通用PC,標簽識別層數(shù)據(jù)處理和基帶信號處理在PC中完成,通過PCIe接口和邏輯控制模塊連接;FPGA邏輯控制模塊:主要負責有AD/DA控制、RF切換、功放、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)控制的功能;射頻前端模塊:其中射頻收發(fā)功能采用LMS6002D芯片實現(xiàn),該芯片集成LNA/PA驅動、IX/RX混頻器、TX/RX濾波器、頻率綜合器、接收增益控制發(fā)送功率控制等子模塊,能夠完成射頻模擬前端的大部分功能天線。


2.2 工作流程
    
讀寫器工作流程分為讀寫器發(fā)送指令與接收標簽反向散射的數(shù)據(jù)信息2部分。
    讀寫器發(fā)送指令的工作流程:
    (1)應用層程序發(fā)出調用標簽識別層模塊的命令,標簽識別層模塊產生要發(fā)送的訪問標簽的指令,并將指令送至基帶處理模塊;
    (2)基帶處理模塊對標簽識別層指令進行編碼調制,生成基帶信號,基帶信號分成I,Q兩路通過PCIe接口傳入FPGA的FIFO;
    (3)FIFO中的數(shù)據(jù)被打包成串行基帶信號送至射頻前端模塊;
    (4)串行基帶信號進入射頻前端模塊經過DA變換、功率放大、上變頻后被調制到超高頻頻段,然后送至帶通濾波器進行濾波;
    (5)濾波以后,信號被送至功率放大器放大,然后送至天線發(fā)送出去。
    讀寫器接收標簽反向散射的數(shù)據(jù)信息的工作流程:
    (1)標簽接收到讀寫器發(fā)來的信號,獲得能量被上電激活,開始執(zhí)行讀寫器命令,并進行判斷是否需要應答,需要應答時,將應答信息以反向散射方式通過天線送至射頻前端模塊;
    (2)射頻前端模塊將接收到的信號送至帶通濾波器進行濾波,濾波后通過低噪放、下變頻、AD變換等部分,載波信號恢復為基帶信號并傳入FPGA的FIFO;
    (3)FIFO中的數(shù)據(jù)通過PCIe接口被送至PC中的基帶處理模塊;
    (4)基帶信號處理模塊對接收到的數(shù)字基帶信號進行解調,將結果傳遞給標簽識別層;
    (5)標簽識別層根據(jù)接收到的標簽反向散射的數(shù)據(jù)進行CRC校驗,解出標簽反向散射的信息并做出判斷,決定下一次發(fā)送的指令。
2.3 主控部分
2.3.1 主控部分軟件設計
    
系統(tǒng)的主控部分為PC,結構圖如圖2讀寫器的結構圖左邊部分所示。主控部分的工作主要包括:完成基帶信號處理、標簽識別處理和驅動層與應用層的數(shù)據(jù)通信。
    工作原理:啟動時,通過PC配置射頻參數(shù),射頻參數(shù)存入緩沖區(qū)寄存器中,初始化內存;應用程序發(fā)出對標簽的應用功能指令,該指令通過應用程序接口調用標簽識別處理模塊,標簽識別處理模塊發(fā)出相應的指令給基帶處理模塊,基帶處理模塊對指令進行編碼調制形成基帶信號,通過PCIe接口將基帶信號發(fā)送給射頻板;主控部分通過PCIe接口接收射頻板傳送來的基帶信號,基帶處理模塊對基帶信號進行解調,形成標簽反向散射的指令格式,傳至標簽識別處理模塊,標簽識別處理模塊對指令進行相關CRC校驗對做出相應的響應。軟件流程如圖3所示。


2.3.2 防沖突軟件設計
    
為防止多個標簽同時響應,讀寫器發(fā)送的Query指令中令Q不等于0,Q為(0~15),標簽接收到Query指令后,會選擇(0~2Q-1)給Slot Counter,當Slot Counter=0時,標簽反向散射數(shù)據(jù),Slot Counter不為0時標簽不響應,如果標簽無響應,則連續(xù)發(fā)送QueryReq,每發(fā)送一次QueryReq,標簽的Slot Counter的值會減1,直到Slot Counter=0,標簽響應為止。其流程圖如圖4所示。



3 接收端算法研究與實現(xiàn)
    
接收端算法:接收端接收的信號為(A/2)g(t),經過I/Q兩路解調、低通濾波、隔直流后分別為(A/2)g(t)sinθ和(A/2)g(t)cosθ,如果只采用單路接收信號,當接收信號的相位和本振信號的相位相差θ為90°或者0°,則接收到的信號(A/2)g(t)sinθ或(A/2)g(t)cosθ可能始終為0,即有用信號沒有解調出來。為了避免射頻場中存在的盲點,系統(tǒng)接收端采用兩路正交混頻結構,即:
    
    將I,Q兩路信號平方后求和得出(A2/4)g2(t),無論接收信號的相位和本振信號的相位相差θ為多少,總能解調出有用信號。
    對于本方案,接收端基帶信號處理在PC中完成,PC中接收到的I,Q兩路的數(shù)據(jù)存在一個數(shù)組RECEIVE[N]中,針對接收端算法的其體實現(xiàn)步驟如圖5所示。


    (1)首先解調出I,Q兩路信號:即:
    RECEIVE_I=RECEIVE(1,1:2:N)
    RECEIVE_Q=RECEIVE(1,2:2:N)
    RECEIVE_data2=RECEIVE_I2+RECEIVE_Q2
    //N為接收數(shù)據(jù)所在數(shù)組的大小
    (2)求接收信號的均值,即求信號的直流分量
    sum=O
    for i=1:N/2
    sum=sum+RECEIVE_data[i]
    end
    ave_sum=(sum/(N/2))
    (3)去直流分量
    RECEIVE_data=RECEIVE_data-ave_sum
    (4)做相關,找到同步點
    在該系統(tǒng)中,標簽反向散射的數(shù)據(jù)有加短前導Frame_Sync和長前導Preamble兩種形式,讀寫器發(fā)送的Query指令中的TRext位決定了標簽反向散射的數(shù)據(jù)的前導形式,本方案中標簽反向散射的數(shù)據(jù)采用加前導Preamble的方式。
    首先,生成本地的Preamble信號,即編碼調制后為Preamble[m],將Preamble[m]與接收到的RECEIVE_data做相關,找到最大點,取出標簽反向散射的數(shù)據(jù)。
    
    以讀寫器發(fā)送Query指令為例,在采樣率為10 MHz,標簽反向鏈路頻率為200 kHz時,標簽響應時反向散射信號Preamble+RN16(16位隨機碼),通過上述過程,解調出數(shù)據(jù)如圖6所示,顯示方式為:數(shù)據(jù)以兩路A,B方式,其中A為上部分,B為下部分,如RN16[N],則有:
    
    (5)解調標簽反向散射的數(shù)據(jù)
    根據(jù)射頻部分的采樣率和標簽反向散射數(shù)據(jù)的調制方式,對0和1進行編碼調制,生成0和1的本地基帶信號,將其與接收的數(shù)據(jù)進行相關,并進行判斷,解調出標簽反向散射的數(shù)據(jù)。
    


    對圖6中的數(shù)據(jù)進行解調得出此次標簽反向散射的隨機數(shù)為:1101 0001 0100 0011。

4 結語
    
本文提出的基于虛擬無線電的RFID讀寫器的實現(xiàn)方案,從系統(tǒng)級角度對基于虛擬無線電的RFID讀寫器的硬件平臺及主控部分進行了闡述,并對接收端算法進行了研究與實現(xiàn)。虛擬無線電技術易于實驗、開發(fā)快捷、與其他應用結合、改進功能盼特點,使得基于虛擬無線電的超高頻RPID讀寫器具有靈活處理基帶信號、支持開發(fā)多種協(xié)議的優(yōu)點。實踐結果表明,基于虛擬無線電實現(xiàn)超高頻RFID讀寫器的方案具有可行性。

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